Микророботы, созданные из наночастиц оксида железа, функционируют благодаря каталитической и магнитной активности. Используя магнитное поле, исследователи смогли управлять их движением и конфигурацией, чтобы сформировать щетиноподобные структуры, которые снимают налет с широких поверхностей, и нити, которые могут скользить между зубами. В обоих случаях каталитическая реакция заставляет наночастицы производить противомикробные вещества, убивающие вредные бактерии в полости рта.

Эксперименты с использованием этой системы, как на имитации так и на настоящих человеческих зубах, показали, что роботы могут принимать различные формы. Это позволяет им почти полностью устранять липкие биопленки, которые приводят к кариесу и заболеваниям десен. Команда поделилась своими выводами, подтверждающими концепцию роботизированной системы, в журнале ACS Nano.

"Обычный уход за полостью рта утомителен и может создавать проблемы для многих людей, особенно для тех, кому не хватает ловкости рук чтобы чистить зубы, — утверждает соавтор исследования Хюн (Мишель) Ку, профессор кафедры ортодонтии и отделений общественной гигиены полости рта и детской стоматологии. – Вы должны чистить зубы щеткой, затем зубной нитью и полоскать рот; это трудоемкий процесс. Инновация в том, что роботизированная система может выполнять все три действия автоматически, без помощи рук."

По словам соавтора работы, старшего научного сотрудника Школы инженерии и прикладных наук Эдварда Стигера, с помощью магнитных полей ученые могут придавать наночастицам нужную форму. "Мы формируем щетинки, которые могут удлиняться, мести и даже перемещаться взад и вперед по пространству, как зубная нить. Принцип работы аналогичен тому, как робот-манипулятор может протянуть руку и очистить поверхность".

Прорыв в технологиях ухода за полостью рта

"Конструкция зубной щетки оставалась относительно неизменной на протяжении тысячелетий," — говорит Ку. Хотя добавление электрического моторчика усовершенствовало "щетину на палочке", основная концепция осталась прежней.

Несколько лет назад исследователи из Центра инноваций и точной стоматологии Пенсильванского университета (CiPD), содиректором которого является Ку, предприняли шаги к серьезному прорыву, используя эту систему микророботов.

Их инновация основана на серендипности. Исследовательские группы Penn Dental Medicine и Penn Engineering интересовались наночастицами оксида железа, но по совершенно разным причинам. Группа Ку была заинтригована каталитической активностью наночастиц. Они могут активировать перекись водорода, чтобы высвободить свободные радикалы, которые убивают бактерии, вызывающие кариес, и разрушают биопленки зубного налета. Тем временем Стигер и его коллеги-инженеры, включая декана Виджая Кумара и профессора Кэтлин Стебе, содиректора CiPD, изучали эти наночастицы как строительные блоки управляемых магнитом микророботов.

При поддержке Penn Health Tech и Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований при Национальном институте здравоохранения сотрудники университета объединили два направления в текущей работе, создав платформу для электромагнитного управления микророботами, позволяющую задавать различные конфигурации и выпускать противомикробные препараты для эффективного лечения и чистки зубов.

Сначала исследователи оптимизировали движения микророботов на небольшой пластине из похожего на зуб материала. Затем они протестировали работу микророботов, приспосабливающихся к сложной топографии зубов, межзубных поверхностей и линии десен. Для этого они использовали модели зубов, напечатанные на 3D-принтере на основе сканов человеческих зубов из стоматологической клиники. Наконец, команда испытала микророботов на настоящих человеческих зубах, которые имитировали положение зубов во рту.

Исследователи обнаружили, что система микророботов может эффективно устранять биопленки, очищая их от всех обнаруживаемых патогенов. Наночастицы оксида железа были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США для других целей, а испытания форм щетинок на модели животного показали, что они не повреждают ткань десны.

По словам исследователей, настраиваемый характер системы может сделать ее достаточно щадящей для клинического использования, но также и персонализированной, способной адаптироваться к особенностям ротовой полости пациента.

Чтобы внедрить эту технологию на практике, команда Пенсильванского университета продолжает оптимизировать движения роботов и рассматривает различные способы доставки микророботов в ротовую полость.

"У нас есть технология, которая также эффективна, как чистка зубов щеткой и нитью, но не требует ловкости рук, — говорит Ку. Мы бы хотели, чтобы она помогла престарелым и людям с ограниченными возможностями. Эта технология изменит существующие методы и значительно улучшит уход за полостью рта".